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Einrichtung zur gleichmäßigen Belastungsverteilung auf die Anoden
eines mehrphasigen Stromrichters Es ist bekannt, beim Parallelbetrieb mehrerer mehrphasiger
Stromrichtereinheiten die Zündzeitpunkte der einzelnen Stromrichtereinheiten selbsttätig
so zu beeinflussen, daß Ungleichheiten in der Belastungsaufteilung auf die einzelnen
Einheiten wieder rückgängig gemacht werden. Der Erfindung liegt demgegenüber das
Problem zugrunde, innerhalb eines mehrphasigen. Stromrichters die Belastung der
einzelnen Anoden gleichmäßig zu gestalten. Wenn bei einem mehrphasigen Stromrichter,
bei dem die .einzelnen Anoden der steuerbaren Entladungsstrecken an verschiedene
Phasen einer Wechselspannungslquelle angeschlossen,;-sind, die :elektrischen Eigenschaften
der Entladungsstrecken einander völlig gleich sind, wenn auch die Übrigen Phasenzweige
keinerlei Ungleichheiten aufweisen und das ganze System symmetrisch ist, so verteilt
sich der Belastungsstrom auf die einzelnen Entladungsstrecken gleichmäßig. Es ist
dann der zeitliche Mittelwert des Stromes jeder Halbwelle in den verschiedenen Entladungsstrecken
Überall der gleiche. In der Praxis sind jedoch diese Idealverhältnisse meist nicht
erfüllt. Die elektrischen Eigenschaften der Entladungsstrecken weisen vielmehr geringe
Unterschiede auf, und deshalb verteilt sich der Belastungsstrom, auch wenn alle
anderen
Teile der Stromkreise völlig gleichartig und symmetrisch
sind, nicht auf alle Entladungsstretken gleichmäßig. Außerdem- sind aber auch noch
meist in den Schaltungsteilen, die außer den Entladungsstrecken die verschiedenen
Phasenzweige bilden, Unterschiede vorhanden, die ebenfalls im Sinlie einer ungleichmäßigen
Belastungsverteilung auf die einzelnen Entladungsstrecken einwirken.
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Gemäß der Erfindung wird diese Schwierigkeit dadurch überwunden, daß
höhere Harmonische der Wechselspannung, die bei ungleicher Belastung der einzelnen
Anoden in den Hauptstromkreisen entstehen, derart in die Steuerkreise der Anoden
eingeführt werden, daß dadurch deren Aussteuerung im Sinne der Wiederherstellung
gleichmäßiger Belastung geändert wird.
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In einer Stromrichteranordnung, bei der zweielektrisch völlig gleiche
Entladungs.-strecken all ein symmetrisches Spannungs;-system angeschlossen sind,
bestellt zwischen den Strömen bzw. zwischen den Spannungen der beiden Gefäße keinerlei
Unterschied, abgesehen davon, daß sie um 18o-' in der Phase gegeneinander verschoben
sind. Unter diesen Umständen zeigt die Potentialdifferenz zwischen den beiden Alloden
keinerlei geradzahlige Harmonische der WechseIspannungsfrequenz. Sind dagegen die
beiden Entladungsstreckeil leicht völlig gleich, oder ist in dem Wechselstromkreis
irgendeine Ursymmetrie vorhanden -, so daß die eine Entladu,ngsstrecke mehr Strom
führt als die andere, so läßt sich zeigen, daß dann in der Potentialdifferenz, gemessen
zwischen den beiden Anoden, geradzahlige Harmonische auftreten. `Fenn die Wechselspannung
nahezu sinusförmig ist, so zeigt sich zwischen den beiden Anoden vor allem die zweite
Oberwelle. Diese Oberwellen können dazu benutzt werden, um durch Rückwirkung auf
die Steuerung eine gleichmäßige D elastungsverteilung zu erzwingen.
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Wie dies praktisch durchgeführt werden kann, zeigt an einem Beispiel
Fig. i der Zeichnung. Hier handelt es sich um eine Stromrichteranordnung finit Entladungsgefäßen,
die durch eine ständig in die Kathodenflüssigkeit eintauchende, aus Widerstandsmaterial
bestehende Zündelektrode gesteuert werden. Es sei gleich an dieser Stelle bemerkt,.
daß sich die _ in die Steuerkreise der Entladungsstrecken einzuführenden Oberwell@en
auch anderen Stellen der Stromrichteranordnungentnehmen lassen, und daß es auch
keinesfalls nur die zweite Harmonische ist, die hierfür in Betracht kommt. Insbesondere
wird man bei Drei- und Sechsphasensvstemen andere Oberwellen benutzen können, um
durch entsprechende Aussteuerungsänderung die Ungleichmäßigkeiten in der Belastung
zu kompensieren.
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In Fig. i bedeutet i eine Spannungsquelle, die beispielsweise die
Sekundärwicklung eines Transformators seil, möge, in der eine sinusfö r urige Einphasenspannung
induziert wird. Die äußeren Enden dieser Wicklung i sind an die Anoden der beiden
Gefäße 2 und 3 angeschlossen. Die beiden Kathoden ; der Gefäße bilden den positiven
Pol eines Gleichstrombelastungskreises; dessen negativer Pol über die Glättungsdrossel5
in bekannter Weise an den Mittelpunkt der Transformatorwicklung i angeschlossen
ist. Die Zündelektroden 6 der beiden Entladungsgefäße werden über gittergesteuerte
Entladungsröhren 8 bzw. 9 gespeist, und zwar sind die Anoden dieser Eiilfsentladungsgefäl'ie
unmittelbar an die Anoden der zugehörigen Hauptentladungsgefäße 2 bzw. 3 angeschlossen.
Das Steuergitter 13 des Hilfsentladungsgefäßes 8 ist mit dem Hauptstromkreis über
die Sekundärwicklung 1.1 :eines Transformators verbunden. Dazwischen liegt noch
eine Batterie 1.1', die dem Steuergitter 13 eine V orspannung erteilt. Ebenso ist
das Gitter i g der l ilfsentladuligsstrecke g über die Transformatorsekund,ärwicklung
18 an die Anode der zugehörigen Hauptentladungsstrecke angeschlossen.
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Der Transformator, zu dem die Sekundärwicklungen 1,1 und 18 gehören,
besitzt eine Primärwicklung 15, die über einen vorzugsweise regelbaren Kondensator
16 und einen Widerstand 17, der vorteilhaft ebenfalls regelbar ist, zwischen,
die Anoden der Hauptentladungsgefäße 2 und 3 geschaltet ist. Der Wicklungssinn der
Wicklungen 14. und 15 ist so gewählt, daß, wenn das der Röhre 2 zunächst liegende
Wicklungsende der Wicklung 15 positiv ist, das an das Gitter 13 angeschlossene Ende
der Wicklung 1.1 ebenfalls ein höheres positives Potential besitzt. Unter den gleichen
Voraussetzungen hat das an das Gitter i9 angeschlossene Ende der Wicklung i 8 ebenfalls
positives Potential gegenüber dem anderen Ende.
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Der Kondensator 16 bildet mit der Wicklung 15 einen auf die zweite
Oberwelle der der Wickhu,g i zugeführten Wechselspannung abgestimmten Sch«ringungskreis.
Der Widerstand 17 dient zur Strombegrenzung. Sein Widerstandswert wird zweckmäßig
klein gewählt gegenüber dem des Kondensators i(-) bei Resonanzfrequenz. Die Größe
der dein Gitter 13 zugeführten Spannung ist dadurch regelbar, daß die NVindungszahl
der Sekundarwicklung 1 4 einstellbar ist. Durch Verschieben des Abgriffs auf der
Wicklung 1.1 gelingt es, der Steuerelektrode 1,; eine solche S pc annung -zuzuführen,
daß ein in den Anodenkreis
des 'Entlädüiigsgefäßes 2 geschaltetes
Amperemeter genau denselben Wert anzeigt wie ein Amperemeter im Anodenkreis des
Entladungsgefäßes 3. -Fig. 2 zeigt ebenfalls eine cinpliasige Schaltung, die bezüglich
der Hauptstromkreise mit der nach Fig. i übereinstimmt. Es läßt sich zeigen, daß
die Spannung zwischen dem Mittelpunkt der Transformatorwicklung i und den Kathoden
17 der Entladungsstrecken 2 und 3 ausschließlich geradzahlige Harmonische
der sinusförmigen Speisespannung enthält, sofern die Entladungsgefäße elektrisch
einander völ-
lig gleich sind und die ganze Anordnung symmetrisch ist. Sind
dagegen die Entladungsstrecken irgendwie verschieden von= einander, so daß sich
der Ström zwischen ihnen ungleichmäßig aufteilt, so treten zwischen derittelanzapfung
der Wicklung i und den Kathoden auch ungeradzahlige Harmonische auf. Es hat sich
gezeigt. daß in den meisten Fällen die erste Harmonische der Wechselspannung, d.
h. :also die Grundfrequenz selbst, am stärksten in Erscheinung tritt.
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Diese ungeradzahligen Harmonischen werden nun zur zusätzlichen Steuerung
der Entladungsgefäße 2 und 3 benutzt. Zu diesem Zweck liegt zwischen dem Mittelpunkt
der Transformatorivicklun:g i und der gemeinsamen Kathodenverbindung :eine Reihenschaltung,
bestehend aus einer Transförmatorprimärwicklung 2i, einem Kondensator 22 und einem
Widerstand 23. Die Sekundärwicklungen 2.4 und 25, die zu der Primärwicklung
2 i gehören, sind über Vorspannungsquellen 24' mit den Anoden und den Gittern 13
bzw. i g der Hilfsentladungsstrecken S im,d ' g verbunden. Der Wicklungssinn der
Wicklungen 24 und 25 ist so gewählt, daß - dasjenige Ende der Wicklung 24, welches
an dem Gitter 13 liegt, positiv ist, wenn das an der Mittelanzäpfung des Transformators
liegende Ende der Prim,ärwicklitng 2 i gegenüber dem anderen Ende ebenfalls positiv
ist. Der Kondensator 22 wird in bezug auf die Wicklung 21 so abgestimmt, daß beide
:einen auf die betreffende ungerade Harmonische, insbesondere auf die Grundfrequenz
selbst, abgestimmten Schwingungskreis ergeben. Der Widerstand 23 dient wiederum
zur Strombegrenzung. Die Spannung der Sekundärwicklung 24 kann durch veränderliche
Wicklurigsänzapfung eingestellt werden. In die Anodenzuleitungen der Entladungsstrecken
ä und 3 beschaltete Strommesser zeigen an, welche Einstellung bezüglich der erreichten
Belastungssymmetrie die günstigste ist. Es sei noch der Vollständigkeit halber erwähnt,
däß die Wicklung 25 den entgegengesetzten Wicklungssinn hat wie die Wicklung 24.
In Fig.3 ist gezeigt, auf «-elche Weise die bei der Schaltung nach Fig. a angewandten
Grundsätze auch für eine Sechsphasenschaltung benutzt werden können. Es handelt
sich dabei um eine Saugdrosselschaltung finit zwei in Stern. geschalteten dreiphasigen
Trangformatorsekundärwicklimgen 31, 32, 33 und 37, 38, 39; die dazugehörige
Primärwicklung ist nicht dargestellt. Die freien Enden der sekundären Wicklungsphasen
sind an -die Entladungsstrecken 34., 35, 36 bzw. 4442,43 angeschlossen. Die Kathoden
7 der in gleicher Weise wie in der Schaltung nach Fig. i ausgebildeten Entladungsgefäße
sind untereinander verbunden und bilden, sofern es sich um eine Gleichrichterschaltung
handelt, den positiven Pol des Gleichstromkreises. Zwischen den Sternpunkten der
beiden Transformators.ekuhdärmicklungen liegt eine@Saugdrossel 46, deren Mittelanzapfung
45 den negativen Pol des Gleichstromkreises bildet. 44 'ist eine Glättungsdrossel.
Die Zündelektroden 6 der Hauptentladungsgefäße -werden über die Hilfsentladungsgefäße
4.7, 48, 49 bzw. Si, 52, 53 gespeist.
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Es l,äßt sich zeigen, daß bei völliger Gleichwertigkeit sämtlicher
Entladungsstreckenund völliger Symmetrie der übrigen Schaltung die Spannung zwischen
der Mittelanzapfung 45 der Saugdrosse146 und der gemeinsamen Kathodenverbindung
keine dritte Harmönisch:e der zugeführten Wechselspannung enthält. Eine dritte Harmonische
tritt dagegen dann auf, wenn irgendwelche Unsymmetrienöder Ungleichheiten vorhanden
sind, die auch eine ungleichmäßige Stromverteilung zur Folge haben.
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Zwischen den Mittelpunkt 45 der Saugdrossel und die gemeinsame Kathodenleitung
ist in Reihe mit einem Kondensator 55 und einem Widerstand 56 die Primärwicklung,34
eines Transformators geschaltet, deren Le6r-"laufinduktivität mit der Kapazität
des K ondensators 55 auf die dritte Harmonische der speisenden Wechselspannung abgestimmt
,ist. Der Widerstandswert des zur Strombegrenzung dienenden Widerstandes 5 6 kann
klein sein im Verhältnis zu dem Blindwiderstand des Kondensators 55 für die dreifache
Frequenz. Zwischen das Gitter der Hilfsentladüngsstrecke 47 und ihre Anode ist die
Sekiundärwicklung 57 geschaltet. Anstatt den einen Pol dieser Wicklung an die Anode
der Hilfsentladungsstrecke zu legen, kann man ihn auch mit der Kathode verbinden.
In ähnlicher Weise sind die übrigen Sekundärwicklungen 58 bis 62 je an den Steuerkreis
einer Hilfsentladungsstrecke angeschlossen. Der Wicklungssinn der Wicklung 57 ist
so gewählt, daß das am Gitter liegende Ende der Wicklung 57 positiv ist, wenn die
obere
Klemme der Wicklung 54 ebenfalls positiv ist. Der Wicklungssinn
der übrigen Sekundärwicklungen 58 bis 62 ist der gleiche.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig.4 zeigt eine sechsphasige Sternschaltung.
Von den sechs Entladungsgefäßen sind nur drei mit den Ziffern 77, 78 und
79 dargestellt. Die Zündelektroden sind wiederum über Hilfsentladungsgefäße
8o, 81 und 82 an die Anoden der Hauptentladungsgefäße angeschlossen. Der eine Pol
des Gleichstromkreises wird wiederum durch die gemeinsame Verbindung der Kathoden
7 sämtlicher sechs Entladungsge äße, der andere Pol durch den Nullpunkt 84 der Transformatorwzcklung
gebildet. Zwischen den Anoden je zweier in der Phasenfolge aufeinanderfolgenden
Entladungsgefäßen liegt eine Reihenschaltung, bestehend aus einer Transformatorprimärwicklunb
einem Kondensator und ;einem Widerstand. Die drei Elemente der zwischen den Entladungsgefäßen
77 und 78 liegenden Reihenschaltung sind mit 85, 86 und 87, diejenigen der zwischen
den Entladungsgefäßen 78 und 79 liegenden Reihenschaltung mit 88, 89 und 9o bezeichnet.
9 i ist der Kondensator einer Reihenschaltung, die nicht mehr vollständig dargestellt
ist, und 92 der Widerstand einer anderen derartigen Reihenschaltung. In jeder Reihenschaltung
ist der .Kondensator und die Induktivität der Wicklung auf Resonanz mit der sechsten
Oberwelle der zugeführten Wechselspannung abgestimmt. Die Widerstände dienen zur
Strombegrenzung und werden zweckmäßig auf einen Wert eingestellt, der im Verhältnis
zu dem Blindwiderstand des Kondensators für die sechste Oberwelle klein ist.
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Der Primärwicklung 85 sind zwei Sekundärwicklungen 95 und 94 zugeordnet,
ehensa wie zu der Wicklung 88 zwei Sekundärwicklungen 96 und 97 gehören. Genau so
sind auch die Primärwicklungen der übrigen nicht mehr dargestellten Reihenschaltungen.
mit je zwei Sekundärwicklungen gekoppelt: Der Wicklungssinn der Sekundärwicklungen
95 und 94 in bezugauf die Wicklung 85 ist so gewählt, daß das rechte Ende der MTicklung
95 und das linke Ende der Wicklung 94 positiv sind, wenn das rechte Ende der Wicklung
85 positiv ist. Das gleiche gilt bezüglich der Wicklungen 96 und 97 und auch für
die Sekundärwicklungen in den übrigen nicht dargestellten Reihenschaltungen. Das
rechte Ende der Wicklung 94 liegt an der Anode des Entladung sb fäßes 78. Andererseits
ist die Wicklung 94 über eine verstellbare Anzapfung .an eine ebenfalls verstellbare
Anzapfung .auf der linken Seite der Wicklung 97 angeschlossen. Das rechte Ende der
Wicklung 97 ist mit dem Gitter der Hilfsentladungsstreck e 8 1 verbunden, die den
Zünder der Entladungsstrecke 78 speist. In ,gleicher Weise ist das Gitter der Hilfsentladungsstrecke
8o an das rechte Ende der Sekundärwicklung 95 angeschlossen, während die veränderliche
Anzapfung dieser Wicklung über einen Leiter 98 an die veränderliche Anzapfung der
links danel>eii liegenden Wicklung, aie nicht mehr dargestellt ist, angeschlossen
ist. Kurz gesagt, bilden die Verbindungen zwischen den Sekundärwicklungen und den
Hilfsentladungsgefäßen ein völlig symmetrisches System.
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In Fiz5 ist wiederum eine sechsphasige Saugdrosselschaltung zugrunde
gelegt. Die Entladungsgefäße 104, 1o5 und roh sind an die eine, die Entladungsgefäße
i 14, 115 und i 16 an die andere dreiphasige Sternwicklung
angeschlossen. Den Zündern dieser Entladungsgefäße sind die Hilfsentladungsstrecken
107, i o8 und i og bz w. 117, 118 und i 19 vorgeschaltet. Bei völliger Gleichheit
der Gefäße und Symmetrie der ganzen Anordnung enthält die Spannung zwischen der
Mittelanzapfung 122, der Saugdrossel 123 und der gemeinsamen Kathodenverbindung
der Entladungsgefäße außer der sechsten Harmonischen der Wechselspannung keinerlei
weitere Oberwellen. Andere Oberwellen erscheinen erst dann, wenn irgendwelche Unsymmetrien
vorhanden sind. In solchen Fällen tritt im allgemeinen in erster Linie die erste,
zweite, dritte, vierte und fünfte Oberwelle auf. Die Kompensierung ungleichmäßigerLastvarteilung
erfolgt infolgedessen bei diesem Ausführungsbeisp,iel,auf dieWeise, daß den Steuerelektraden
der Hilfsentladungsstrecken 107 bis iog und 117 bis iig eine Reihe
von Oberwellen zugeführt wird, unter Ausschluß der sechsten Harmonischen und deren
ganzen Vielfachen. Zu diesem Zweck liegt zwischen der gemeinsamen Kathodenverbindung
und dem Mittelpunkt 122 der Saugdrossel ein Leitungszweig, bestehend aus
der Reihenschaltung einer Primär«3cklu-ng 124 mit einem veränderlichen Kondensator
125 und einem einstellbaren Widerstand 126. Parallel zu der Primärwicklung 1z4 liegen
ein oder mehrere Resonanzkreise, im vorliegenden Fall zwei, die auf die sechste
Oberwelle bzw. ganze Vielfache davon abgestimmt sind. So möge der Saugkreis r27-128
auf die sechste und der Saugkreis 129-13o .auf die zwölfte Harmonische abgestimmt
sein. Wie gesagt, können hier je nach der gewünschten Genauigkeit noch weitere Saugkreise
für die 18., 24. usw. Oberwelle hinzutreten. Die Sekundärwicklungen 131, 136 liefern
wiederum Steuerspannungen für die Hilfsentladungsgefäße 1o7 bis 109 bzw. 117 bis
i i9, wobei der eine Wicklungsanschluß mit dem Gitter und der andere mit der Anode
oder der Kathode der betreffenden Hilfsent-
Ladungsstrecke verbunden
ist. Als zweiter Anschlußpunkt kann auch irgendein anderer Punkt -des Anodenkreises
der betreffenden Hilfsentladungsstrecke benutzt werden. Die Leerlaufinduktivität
der Wicklung 124 und die Kapazität des Kondensators 125 sind so bemessen, daß die
Reihenschaltung dieser Elemente mit der Grundwelle der zugeführten Wechselspannung
auf Resonanz abgestimmt ist.
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Die Ausführungsbeispiele bezogen sich auf Einphasen- -und Sechsphasensysteme.
Wenn es sich um Systeme anderer Phasenzahl, allgemein gesprochen also um n-phasige
Symmetriesysteme handelt, so. muß unter der Voraussetzung, daß die Primärwicklung
des Ko:mpensationstransfarmatoirs in einem Stromzweig zwischen den Anoden zweier
benachbarter Entladungsstrecken des Systems liegt, jeder dieser Stromzweige auf
die n-te Harmonische der Wechselspannung abgestimmt sein. Das trifft beispielsweise
auf die Fig. i und 4- zu. Ist dagegen der Stromzweig, dem die Primärwicklung des
Kompensationstransformators ,angehört, zwischen die Endklemmen des Gleichstromkreises
geschaltet, so muß der betreffende Str oimzw eig ,auf irgendeine Harmonische mit
Ausnahme der n-ten Harmonischen abgestimmt werden. Es wird hierfür zweckmäßig diejenige
Harmonische herausgesucht, die am stärksten in Erscheinung tritt. Diese Feststellung
kann gegebenenfalls durch Messungerfolgen. Die ,am kräftigsten ausgebildete Oberwelle
bei auftretenden. Unsym!metrien wird im allgemeinen die (n = i )-ste oder (n -;-
i )=ste sein. Es läßt sich hier keine allgemeine Regel aufstellen, da es von der
Art der Unsymmetrien oder der Verschiedenheiten zwischen den Entladungsgefäßen abhängt,
welche Oberwelle außer der n-ten am stäa-ksteai auftritt. In Zweifelsfällen kann
man mehrere Harmonische duichprobleren, um festzustellen, mit welcher der günstigste
Kompensationseffekt erreicht wird.
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Es sei bemerkt, daß, wenn sich die Ausführungsbenspmele auch sämtlich
auf Stromrichtersch.altungen mit Gefäßen mit TauchzündeleL-tro:den richten, die
Erfindung doch keines, Wegs hierauf beschränkt ist. Ihre -,%,nwerndbarkeit ist völlig
unabhängig von der Art der zux Verwendung gelangenden steuerbaren Entladungsstrecken.
Das gilt nicht nur für Dampf- oder Gasentladungsstrecken, sondern auch für renne
Hochvakuumröhren. Wenn die dem eigentlichen Stromrichtersystem angehörenden Entladungsstrecken
keine besonderen Hilfsentladungsstrecken benötigen, so können die Verbindungen,
die in den Ausfütlirttngsbeispielen an. .die Gitter dieser Hilfsentladungsstrecken
führen, unmittelbar an die Steuerelektroden der Hauptentladungsstrecken geführt
werden.